（仪器科学与技术专业论文）ieee+1451网络化智能传感器的研究.pdf

里堕翌兰丝查查堂塑壅尘堕兰堡丝苎 摘要 i n t e m e t 的飞速发展和智能传感器技术的进步，将i m e m e t 技术与智能传感器技术相 结合，使传感器在现场级就具有基于t c m p 协议的通信功能，这是传感器重要的发展方 向之一。研制具有i n t e m e t 互联功能的智能传感器，对设备远程监测具有重要意义。本文 在深入分析和研究i e e e1 4 5 l 网络化智能传感器标准的基础上，实现了网络化智能传感 器原型系统的设计，并验证了其功能。 首先对i e e e1 4 5 1 标准进行了深入研究，尤其是i e e e1 4 5 1 2 标准中定义的智能变送 器接口模型( s t i m ) 和变送器电子数据表( t e d s ) 以及i e e e1 4 5 1 ，1 标准中定义的网络 适配处理器( n c a p ) 。在此基础上，选择了合适的开发平台，确定了网络化智能变送器 原型系统的设计。智能变送器接口模块完全遵循i e e e1 4 5 1 2 标准，包括具体的变送器、 t e d s 和地址函数等，实现了传感器信息获取的主要功能和自我描述功能，实现了传感 器的网络化和智能化。并着重阐述了t e d s 、数据校正技术等关键技术的实现机制。 其次，一个基于p c 的虚拟网络适配处理器( v n c a p ) 的实现了t c p i p 协议和w 曲 服务，提供了i n t e m e t 接入功能，该模块还实现了智能应用算法( 如数据校正) 、数据处 理等。提出了基于i e e e1 4 5 1 标准的虚拟t e d s 概念和对其进行了实现。 最后，在设计的原型系统上进行了实验，对变送器和虚拟网络适配处理器的功能进 行了验证。实验表明，设计的变送器和虚拟网络适配处理器是可行的，可用于i n t e m e c 环境下的分布式测控。 关键词：网络化传感器，i e e e1 4 5 1 标准，电子数据表，虚拟网络适配处理器 第1 页 国防科学技术大! 学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t hm ei m p r 0 v e m e mo fi n t e m e ta i l ds e n s o rt e c h n i q u e s ，“i sa ni m p o n a l l tt e n d e n c yt o c o m b i n et h es m a r tt r a n s d u c e rt e c m o l o g yw i t l lt h ei n t e m e tt e c l l n o l o g yt od e v e l 叩t h en e x t g e n e r a t i o no fs e n s o r s ，w h i c he n a b l e s l es e n s o r st oo w nt h ea b i l i t vo ft c p 口_ b a s e d c o m m u n i c a t i o na tt h ed e v i c el e v e l it h a ti sas j g n m c a n ts t e pt o w a r d sb u i l d i n gt e l e m o n i t o r i n g n e t w o r kb a s e do nm ep r e s e n ti n t e n l c ti n f r a s 【r u c t u r e a r e rac a r e 血id i s c u s s i o no ft 1 1 es m a n n e t w o r k 订a n s d u c e rs t a n d a r d ，i e i e e e1 4 5 1 s t a i l d a r d ，m i sd i s s e r t a t i o n 口r e s e n t sa n i n t e m e t c n a b l e ds m a nt r a l l s d u c e rm o d e la i l dr e a l i z e si t sf u l lw o r k i n gp r o t o t y p e m o r e o v e r ， s e v e r a le x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt ov e r i 匆t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ep r o p o s e d s o l u t i o n f i r s to fa l l ，t h ei e e e1 4 51p r o 幻c o jj ss m d i e d ，e s p e c 瑚i yt h ed e 丘n j t j o no f 出e 力e l w o r k c 印a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ( n c a p ) i ni e e e1 4 5 1 1a n dt h ed e f i n i t i o no fm es m a r t 廿a n s d u c e ri n t e r f a c em o d u l ea n dt h et r a i l s d u c e re l e c 订o n i cd a t as h e e ti ni e e e1 4 5 1 2 b vt h e 、v a y ，as y s t e mp r o t o t y p eo ft h es m a nn e t 、v o r ki n t e r f a c eo fs e n s o r si sd e f e 舢i n e d 1 1 l es n mi s 向uc o m p l i a m 、v i t hi e e e1 4 5 1 2s t a n d a r da i l di n c l u d e ss o m es p e c i f i c 仃a n s d u c e r s ，t r a l l s d u c c r e l e c t r o n i cd a t as h e e t ( t e d s ) ，a d d r e s s i n g1 0 9 i c ，e t c i to 、v n st h e c t i o n st oa c q u i r ed a t aa n d o m e ra b i l i t i e s ，f o “n s t a i l c es e l f d e s c r i p t i o n c o o p e r a t i n g 谢me a c ho m e rt h r o u 曲at n m s d u c e r i m e r f a c e ，m et w op a r t sa f o r e m e n t i o n e dr e a l i z ct h e 血n c 廿o n so fm ep r o p o s e dn e t w o r k s e n s o r a n dh i 曲l i g h t st h ei m p l e m e n t a t i o no fk e y t e c l l n 0 1 0 9 i e s ，s u c ha st e d sa | 1 dc o r r e c t i o n e n g i n ea r ep r o v i d e d av i n u a ln e t w o r kc 印a b l ea p p j i c a t i o np r o c e s s o rb a s e do np ci s d e v e l 叩e d v n c a p i m p l e m e n t st h et c p i pp r o t o c 0 1a n dw e bs e r v i c e ，a n dp r o v i d e st h es t a t l d a r du s e ri n t e 曲c e b a s e do nw e bb r o w s e r s ，w h i c hm a k em en e t w o r ks e n s o ri n t e m e tv i s i b l ea n dc 印a b l e c o r r e c t i o ne n g i n ea i l dd a t a p r o c e s s i n ga r ei m p l e m e m e d av i r 【u a lt e d si sa l s oj m p l e m e n t c d f i n a i l y ，s o m ee x p e r i m e n t sa r em a d et ov e r i 母t 1 1 ef u n c t i o n so ft i l es t i ma i l dv n c a p t h er e s u l t se x p e r i m e m a ys h o wt h a tt l l e ya r ef b a s i b i ea n ds u i t a b l ef o ri m e m e t b a s e d 印p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yf o rt h en o n c r i t i c a lr e a l 一t i m e 印p l i c a t i o n ss u c ha sr e m o t em o i l i t o r i n g e x c e l l e n tp e r f b n n a n c e so f m ep r o p o s e dn e t w o “( s e n s o ra r ea l s oo b t a i n e d k e y w o r d s ：n e t w o r ks e n s o r i e e e1 4 5 l ，t e d s ，v n c a p 第t t 页 独创性声明 y8 8 5 7 0 9 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：! 塑! ! ! ! 题签焦蟹自篮盛墨尥盈窒 学位论文作者签名：生量堑日期：如d 年，j 月硝日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阕；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：! 塑g ! ! ! 圈缝毡蟹8 e 谴盛墨煎盈窒 第一章绪论 l - l 研究背景 传感器技术、通讯技术与计算机技术分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和 “大脑”。传感器的种类很多，包括物理的、化学的和生物的传感器，这些传感器配上 相应的部件，如信号调理变换器、计算机系统等，便组成了各种各样的测试系统。其中 传感器在测试系统中处r 首位，直接敏感外界信息，是自动获取信息的重要装置，也是 推广和普及关键。 传感器技术、通信技术与训算机技术构成现代信息的三大基础，它们分别完成对被 测量的信息提取、信息传输及信息处理，是当代科学技术发展的“个重要标。占。随着科 学技术的发展，数字化、智能化和叫络化已成为时代发展趋势：计算机技术和通信技术 结合进而产牛了计算机网络技术；计算机技术和传感器技术结台产生了智能传感器技 术；将三者融为一体( 计算机网络技术与智能传感技术结合) 便产生了网络化智能传感 技术。网络化智能传感技术已成为人们关注的热点。 l _ 1 1 网络化智能传感技术 网络化智能传感器是以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和 网络接口单元，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的采 集、处理和传输真正统一协调的新型智能传感器，原理框图如图1 1 所示。 群署酬垦 第1 页 国防科学技术大学研究生院。学位论文 ( 2 ) 具有网络通信功能。网络接口技术的应用使传感器方便地接入工业控制网络， 为系统的扩充和维护提供了极大的方便。 1 1 2 基于现场总线的智能传感技术 现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一 身的新兴控制技术，按照国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 的标准定义：“安装在制造和过程 区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线 称为现场总线”。一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用 于工业控制的计算机系统工业总线”。 现场总线技术是在仪表智能化和全数字控制系统的需求下产生的。现场总线是连结 智能化现场设备和控制室之间全数字式、丌放式和双向的通信网络。基于现场总线的智 能传感器如图1 2 所示。 图1 2 基于现场总线的智能传感技术简图 现场总线技术白2 0 世纪8 0 年代产生以来，一直受到人们的极大关注，被誉为自控 领域的一次革命。进入9 0 年代以来，现场总线控制系统一度成为人们的研究热点，各 种各样的现场总线产品不断涌现。图1 3 描述了一个通用分布式测试和控制系统框架。 它是目前市场上比较常见的现场总线系统结构图。 其它网络系统 压力温度i i 5 l | 门 继电器 图1 3 通用分布式测试和控制系统 随着现场总线控制系统在生产现场的实际应用，基于现场总线的智能传感技术也面 临着诸多问题。 第2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 一方面，现场总线国际标准的制定因技术、商业利益等原因造成多标准共存。i e c 6 1 1 5 8 规定了f f 、p r o f i b u s 等8 种现场总线标准，另i e ct c l 7 已通过了3 种现场总线 国际标准( i c e6 2 0 2 6 ) ，目前现场总线国际标准共有1 2 种之多，且最具影响力的也有5 种之多( f f 、p r o f i t b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s ) 。由于各个标准采用的通信协议完全 不同，存在着智能传感器的兼容和互换性问题，影响了总线式智能传感器的应用。 另一方面，现场总线还存在着瓶颈问题。表现在：现场总线切断后，系统有可能产 生不可预知的后果；系统参数过于复杂，且其设定的好坏对系统性能影响很大：生产运 行需大量人机数据交换，现场总线系统的通信容量有限，容易造成信息流的阻塞。 1 1 3 基于i e e e1 4 5 1 标准的网络化智能传感技术 针对现场总线的智能传感技术存在的问题，从1 9 9 3 年9 月开始，美国国家标准技 术研究所和仪器与测量协会的传感技术委员会联合组织了智能传感器通用通信接口问 题讨论和相关标准的制定，即i e e e1 4 5 l 的智能变送器接口标准( s t a n d a r df o ras m a r t t r a n s d u c e ri n t e r f a c ef o rs e n s o r sa n da c t u a t o r s ) 。迄今为止，针对变送器工业各 个领域的需求，多个工作组先后被建立来开发接口标准的不同部分，并取得了显著的进 展。i e e e1 4 5 l 标准目的是开发一种软硬件的连接方案，将智能变送器连接到控制网络 或者用以支持现有的各种网络技术，包括各种现场总线及i n t e r n e t i n t r a n e t 。i e e e 1 4 5 1 标准建立了标准的变送器数据、控制、时序、配置和校正模型，把变换器节点设计 与网络实现分隔开来，这其中包括变换器自识别、自配置、远程自校、长期自身文档维 护、简化变换器升级维护以及增加系统与数据可靠性等。i e e e1 4 5 1 标准定义的功能框 架包含了一系列数据与对象模型，以使传感器数据能够和网络连通，为变送器和控制网 络的连接提供了标准的接口，变送器在现场级采用有线或无线的方式实现网络连接，大 大简化由变送器构成的各种网络控制系统，解决不同网络之间的兼容性问题，并能够最 终实现各个厂家产品的互换性与互操作性。i e e e1 4 5 l 标准对研制网络化智能传感器具 有重要指导意义m ： ( 1 ) 提供了标准化的接口和软硬件定义。 i e e e1 4 5 1 标准定义的传感器或执行器的软硬件接口标准，为传感器或执行器提供 了标准化的通信接口和软硬件的定义，使不同的现场网络之间可以通过i e e e1 4 5 l 定义 的接口进行互连，实现互操作。 ( 2 ) 使网络化智能传感器具有即插即用性和网络无关性。 i e e e1 4 5 1 标准为传感器到微处理器、再到网络建立了一个通用的接口标准，通过 通用的t 印s ( t r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ，变送器电子数据表) 和a p i ( 应用编 程接口) ，建立了一个面向对象的信息模型，简化了传感器到微处理器、网络的连接， 便于软件移植和维护，使基于i 髓e1 4 5 1 的智能传感器在多种现场网络的不同设备之间 能够即插即用，与具体的网络无关。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 3 ) 使网络化智能传感器具有自我描述和自识别能力。 t e d s 是i e e e1 4 5 l 标准最重要的技术革新之一，它使传感器具有了自我描述能力和 自我识别能力，可以支持很多种类的传感器与执行器。它可以充分描述传感器的类型、 行为、性能属性和相关的参数，例如，传感器生产商的名称、传感器的类型、通信速率 等。t e d s 由一些数据域组成，使一个传感器所需的所有信息总是随时可得的。 1 2 基于i e e e1 4 5 1 标准网络化智能传感器研究现状 1 2 1 国外研究现状 在1 9 9 8 年的i s a 博览会上，展示了一些i e e e1 4 5 1 产品。惠普公司及其他合作伙 伴使用i e e e1 4 5 1 2 标准和i e e e1 4 5 1 1 标准来创建一个使用以太网络的储液灌控制方 案，演示了在传感器级的即插即用，展示了分布式智能层的基于i e e e1 4 5 1 1 对象模型 的视图。美国国家技术标准局( n 1 s t ) 使用了基于j a v a 和i n t e r n e t 技术的网络化智能传 感器，实现了对机器运行温度的远程监控，一个基于i e e e1 4 5 1 2 标准的s t i m ( s i i l a r t t r a n s d u c e ri n t e r f a c em o d u l e ，智能变送器接口模块) 和基于i e e e1 4 5 1 1 标准的 n c a p ( n e t w o r kc a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ，网络适配处理器) 应用到了一个高速 运行的机器温度监控系统，并成功地在i n t e r n e t 发布。 摩尔公司将i e e e1 4 5 1 2 标准校f 引擎技术用于传感器来提高测试的精度。这种校 正算法能够克服一些非线性传感器特征。采用这种方式，制造厂商能生产出高质量的智 能变送器。 蟾i l e n tt e c h n o l o g y 实现了一种基于i e e e1 4 5 1 2 标准的传感器工作模型，其中包 括s t i m 和连接e t h e r n e t 的n c a p 两个部分，内含嵌入式w e b 服务器，远程用户可以使 用浏览器通过i n t e r n e t 访问其中的网页。蟾i l e n tt e c h n o l o g y 和t e l e m o n i t o r 公司联 合推出了基于网络设备服务器的t m i1 4 5 1 _ 2 一k c 。t m l l 4 5 1 2 一k c 由s t i m 和n c a p 两部分 组成。s t i m 和n c a p 之问通过t i i ( t r a n s d u c e ri n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，变送器独立接 口) 进行通信，采用i e 髓1 4 5 1 2 协议，对外界信号( 例如温度、压力、速度等) 进行 采集和处理，它还实现了w e b 服务器。 2 0 0 3 年，美国国家仪器有限公司( n i ) 和全球主要的传感器生产商联手支持用于智 能传感器的i e e e1 4 5 1 4 标准“1 。通过采用全新的传感器t e d s ，n il a b v i e w7 1 可读写 传感器信息。t e d s 技术通过将比例参数、校正信息和传感器供应商信息等数据数字化地 存储到一块嵌入式e e p r o m 芯片，彻底取代了纸张化的传感器信息表，简化传感器配置 并防止信息输入错误。l a b v i e w 是第一个全面支持i e e e1 4 5 1 4 标准的通用应用软件。 有了用于l a b v i e w7 1 的免费t e d s 库，世界各地的传感器生产商就能在同一个丌发环 第4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 境中为智能t e d s 传感器编写程序，为i e e e1 4 5 1 4 标准的应用创建一个共享平台。 w a t l o w 公司的2 0 0 4 年i s a 展会上展示了i n f o s e n s e p 型即插即用热电偶、热电阻 和电热调节器如何与符合i e e e1 4 5 1 4 标准的芯片和t e d s 配合使用，用于校正一个典 型的“衣架( c o a th a n g e r ) ”，并使其比传统的温度传感器更精确。 2 0 0 4 年，美国国家仪器公司宣布，推出专为研发工程师设计的两种新的开发工具： 用于l a b v i e w 的t e d s 库和n i 的即插即用传感器的开发工具包”1 。使用它们，工程师能 快速便捷地把i e e e1 4 5 1 4t e d s 智能模拟传感器集成在他们的计算机数据采集系统上。 1 2 2 国内研究现状 自美国组织制定网络化智能传感器接口标准i e e e1 4 5 1 以来，国内一些单位，如标 准化所、中国科学院合肥智能机械研究所、华中科技大学、合肥工业大学和中国电子学 会敏感技术分会等，都已注意到这个标准，认识到差距，开始了跟踪研究，在许多领域 进行深入探讨，取得了一些可喜的成绩，主要包括：在现场总线和无线传感器上采用i e e e 1 4 5 1 标准智能传感器技术的研究、在i e e e1 4 5 1 标准的基础上提出的新网络化智能传感 器模型、基于网络化智能传感器的分布式测控方法、基于i n t e r n e t 的智能维护技术等。 文献 4 、 5 和 6 围绕传感器在线辨识、参数修正，采用t e d s 方式对传感器特征 属性进行描述，并给出传感器网络化的拓扑结构、校正模型和数字接口的实现方法，设 计了基于i e e e1 4 5 1 2 标准和c a n 总线，实现机器人网络化6 维腕力传感器。 文献 7 采用i e e e1 4 5 1 标准的设计思想，提出了一个基于w e b 的分布式测控应用 开发框架，并成功应用于机器人的力感知系统。 文献 8 、 9 简化了i e e e1 4 5 1 标准智能传感器信息模型，在标准的基础上对智能 传感器信息模型进行了裁剪，通过采用模块化结构将传感器和嵌入式i n t e r n e t 技术有 机地结合起来，开发了一种新型的网络化智能传感器。 文献 1 0 和 1 1 采用分组i e e e8 0 2 1 5 4 和无线业务( g p r s ) 网络为通信平台，结合 i e e e1 4 5 1 2 标准的智能传感器，提出了基于t c p i p 协议的无线网络化智能传感器的概 念，给出了传感器的功能模型，描述了其设计与实现过程。 由于2 0 0 3 年以前，i e e e1 4 5 1 标准体系不健全，人们一直对该标准持观望态度，但 自2 0 0 3 年来i e e e1 4 5 1 系列子标准的不断颁布和新的子标准的研讨、开发，i e e e1 4 5 1 标准网络化智能传感器技术在理论研究和实际应用上正进入了兴旺发展的黄金时期。 1 3 本文主要内容 本研究将设计基于t e e e1 4 5 1 2 的s t i m 和基于i e e e1 4 5 1 1 的v n c a p ( v i r t u a l n e t w o r kc a p a b i ea p p ii c a t i o np r o c e s s o r ，虚拟网络适配处理器) 。变送器能采集现 第5 页 国防科学技术大学研究生院学何论文 场数据，并能控制现场的环境，如温度。变送器通过n c a p v n c a p 就可以连接到网络上， 此时变送器就成了网络上的一个独立节点，具有网络节点的组态性和可操作性。网络 用户可在任何地方通过t c p i p 协议，利用浏览器或其它客户软件，在离被监测点很远 的地方来监控变送器的工作。支持网络在线远程管理、校正和维护，如通过软硬件电 路的配合，使传感器具有自动调零、故障检测、灵敏度与温度补偿以及非线性补偿等 智能功能。i e e e1 4 5 1 2 修订标准将支持v n c a p ，本设计在l a b v i e w 平台上开发了基于 i e e e1 4 5 l - l 的v n c a p 和对应的虚拟t e d s ，对v n c a p 技术和虚拟t e d s 进行了一些探索 性的研究。我们还可以利用v n c a p 的灵活性和强大功能来加快变送器设计和开发。 第一章，主要介绍了网络化智能传感器技术研究现状以及本课题的研究意义。 第二章，研究了i e e e1 4 5 标准体系结构，重点研究了i e e e1 4 5 1 2 标准。 第三章，阐述了i e e e1 4 5 1 2 传感器总体实现方案。包括软硬件实现方案和关键技 术分析等。 第四章，在l a b v i e w 开发平台上对i e e e1 4 5 1 1 标准的v n c a p 设计和实现。着重讨 论v n c a p 在l a b v i e w 平台上网络通信、w e b 服务及虚拟t e d s 的实现。 第五章，在实现的原型系统上做了实验，验证了s t i m 和v n c a p 的功能。实验表明， 基于i e 髓1 4 5 l 标准设计的变送器实现了i n t e r n e t 互联功能，性能优良；设计的i e 髓 1 4 5 1 1 标准的v n c a p 实现了与硬件n c a p 相同的功能。 最后对全文进行了总结，并指出了进一步研究的方向。 第6 页 里堕型兰垫查查兰塑茎圭堕堂生丝苎 第二章i e e e1 4 5 1 网络化智能传感器标准研究 i e e e1 4 5 1 提议标准族定义了变送器的软硬件接口。该族所有标准都支持“t e d s ” 概念，这为变送器提供了自识别和即插即用的功能。表2 ，l 列举了i e e e1 4 5 1 智能变送 器标准族各成员的名称、描述与当前发展状态“，表中，标准代号中的字母“p ” ( p r o p o s e d ) 表示该标准目前的状态是提议标准，还没有颁布和执行。图2 1 是i e e e 】4 5 l 标准智能变送器参考模型“。 表2 1 i e e e1 4 5 1 智能变送器标准体系 代号名称与描述状态 i e e ep 1 4 5 1 o 智能变送器接口标准提议标准 t e e e1 4 5 1 1 一1 9 9 9 网络适配处理器信息模型颁布标准 i e e ep 1 4 5 1 1 ( 修订) 网络适配处理器信息模型开发中 i 班强1 4 5 1 2 1 9 9 7 变送器与微处理器通信协议和t e d s 格式颁布标准 i e e ep 1 4 5 1 2 ( 修订)变送器与微处理器通信协议和t 即s 格式研讨中 i e e e 】4 5 1 3 2 0 0 3 分布式多点系统数字通信与t e d s 格式颁布标准 i e e e1 4 5 l ，4 2 0 0 4 混合模式通信协议与t e d s 格式颁布标准 i e e ep 1 4 5 1 5 无线通信协议与t e d s 格式研讨中 i e e ep 1 4 5 1 ，6 c a n o p e n 协议变送器网络接口开发中 i e e e1 4 5 1 标准可以分为面向软件和硬件的接口两大部分。软件接口部分借助面向 对象模型来描述网络化智能变送器的行为，定义了一套使智能变送器顺利接入不同测控 网络的软件接口规范；同时通过定义通用的功能、通信协议及t e d s 格式。以达到加强 i e e e1 4 5 l 标准族成员之间的互操作性。软件接口部分主要由i e 雎1 4 5 1 1 和i e e e p 1 4 5 l ，o 组成。硬件接口部分是由i e e e1 4 5 1 x ( x 代表2 6 ) 组成，主要是针对智能 传感器的具体应用而提出来的。 i e e e1 4 5 1 x 产品可以工作在一起，构成网络化智能传感器系统，也可以各个i e e e 1 4 5 1 x 单独应用；i e e e1 4 5 1 1 i e e ep 1 4 5 1 。o 标准可以独立于其它i e e e1 4 5 1 x 硬件 接口标准而单独使用；而1 4 5 1 x 也可不需i e e e1 4 5 1 1 i e e ep 1 4 5 1 0 而单独使用，但 是，必须要有一个相似i e e e1 4 5 1 1 i e e ep 1 4 5 1 0 标准规定具有的软件结构来实现i e e e 1 4 5 1 1 i e e ep 1 4 5 1 0 标准定义的功能“，如v n c a p 。 有关术语介绍： s t i m ( s m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c em o d u l e ，智能变送器接口模块) 。一个s t i m 可支持单个或多个通道，它既可以与传感器也可以与执行器相连接。一个s t i m 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 可拥有多达2 5 5 个通道的传感器或执行器，使用时不能与变送器分开。一个变 送器通道之所以是智能的，是因为：机器可读和人工可读的t e d s 描述了通道的 特性；与通道有关的数据与控制都是数字化的。 n c a p ( n e t w o r kc a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ，网络适配处理器) 。n c a p 是 介于s t i m 和数字网络之间的微处理器模块，具有局部智能化，是网络通信接口， 是智能传感器网络化的关键。s t i m 借助相应的接口连接到n c a p ，它与网络的通 信是透明的。s t i m 工作时通过n c a p 连接到通信网络。n c a p 可对来自s t i m 的传 感器的原始数据进行校正，还包括针对特定应用的数据处理和控制功能。 t e d s ( t r a n s d u c e re 1 e c t r o n i cd a t as h e e t ，变送器电子数据表) 。它描述了s t i m 相关的参数，比如，传感器生产商的名称、传感器的类型、序列号和性能等。 t e d s 是i 阻e1 4 5 1 标准最重要的技术革新之，创新之处在于i e e e1 4 5 1 标准 t e d s 背后有一个通用的传感器模型，它可以支持多种传感器与执行器。t e d s 被嵌入变送器，和变送器一起移动，使用一个变送器时，可以随时获取所需的 所有信息。 网络 i e e e1 4 5 i j i e e ep 1 4 5 1 0 n c a p 盟 i e e ep 1 4 5 1 2 s t i m i e e e1 4 5 1 1 i e e ep 1 4 5 1 0 n c a p 网络节点 叫jl u 删 点对点 多点分布式 固= 传感器 因= 执行器 h p n a = 家庭电话线联盟 i e e e1 4 5 i i i e e ep 1 4 5 1 o n c a p 或仪器 i e e e1 4 5 1 1 i e e ep 1 4 5 1 0 n c a p 或访问点 一 无线通信协议 - 8 0 2 1 l a b ，g ( w j f i ) 8 0 2 1 5 1 ( b 1 l l e t o o t h ) 8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 冀 混合模式 无线 图2 1 i e e e1 4 5 1 标准的参考模型 i e e e1 4 5 i 1 i e e ep 1 4 5 1 0 n c a p i 本质安全 l 系统 到 和 5 p 嚣全 i e e ep 1 4 5 1 6 传感器 r ? n 。m 第8 页 雾 幽震熏 皿 订 篓嚼 粤堕登堂垫查叁芏堕茎竺堕兰垡笙奎 2 1i e e ep 1 4 5 1 0 标准 i e e ep 1 4 5 1 o 提议标准，即通用的功能、通信协议和变送器电子数据表格式( c o m m o n f u n c t j o n s，c o 姗u n i c a t i o np r o t o c 0 1 s，a n dt r a n s d u c e re 1 e c t r o n i cd a t a s h e e t ( t e d s ) f o r m a t s ) 。i e e e1 4 5 1 提议标准族由几个子标准组成，尽管它们之间有共同 的特征，但是却不存在通用的功能、通信协议和t e d s 格式的设置，这影响了这些标准 之间的互操作性，阻碍了这些标准在用户群中的广泛使用。i e e ep 1 4 5 1 o 提议标准就是 为解决这一问题提出来的，它通过定义一个包含基本命令设置和通信协议的独立于n c a p 到变送器模块接口的物理层，为不同的物理接口提供通用、简单的标准，以达到加强这 些标准之间的互操作性。图2 2 为i e e ep 1 4 5 1 o 智能变送器接口模块图。 目络 n c a p 1 4 5 10 功能变送 网络 器接口 协议 应 用 变 变送器 上 上 网络 软 送 模块 斗件 器 接口 物理和数据链物理和数据链 端口 框 标准标准 1 4 5 i o 变送器1 4 5 1 o 变送器 模型模型 t e d st e d s l 物理t e d s l 物理t e d s 幽2 2i 雎ep 1 4 5 1 o 智能变送器接口模块框图 2 2i e e e1 4 5 1 1 标准” i e e e1 4 5 1 1 标准，即智能变送器网络适配处理器信息模型( n e t w o r kc a p a b l e a p p l i c a t i o np r o c e s s o r ( n c a p ) i n f o r m a t i o nm o d e lf o rs n l a r tt r a n s d u c e r s ) ，谚i 标 准定义了网络独立的信息模型，使变送器接口与n c a p 相连，它使用了面向对象的模型 定义提供给智能传感器及其组件。如图2 3 所示为i e e e1 4 5 1 】标准实现模型示意图。 该模型由一组对象类组成，这些对象类具有特定的属性、动作和行为，它们为传感器提 供一个清楚、完整的描述。该模型也为传感器的接口提供了一个与硬件无关的抽象描述。 该标准通过采用一个标准的a p i 来实现从模型到网络协议的映射。同时，这个标准以可 选的方式支持所有的接口模型的通信方式，由其它的i e e e1 4 5 1 标准提供，如s t i m 、t b i m ( 变送器总线接口模型) 和删x ( 混合模式传感器) 。 可以分别从物理层角度和逻辑层角度来分析这个模型。从物理层角度来看，实线部 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 分表示了系统的各个物理组成部分。图中，传感器和执行器组成了变送器模型，变送器 通过接口连接到了微处理器或控制器，而微处理器或控制器连接到了网络。在传感器或 执行器与其它的设备硬件之间的硬件接口定义为n c a p 。n c a p 的物理层硬件由微处理器 及其支持电路组成，含连接变送器的输入接口和连接到网络的输出接口。 图2 3i 雎e1 4 5 1 1 标准网络化智能传感器的模犁 虚线部分表示了系统的逻辑层次。逻辑层可分为应用组件和支持组件两大部分。支 持组件包括操作系统，网络协议和变送器固件组件，如图中n c a p 支持的逻辑接口所示， 第一个逻辑接口是网络抽象逻辑接口。它由端口和服务器对象分配组件组成。这个接口 提供了一个包含一些通讯指令的抽象模型，来隐藏某一个给定网络的通讯细节，使用户 不用考虑通讯协议。第二个逻辑接口是变送器抽象逻辑接口。该接口规范为变送器的输 入输出硬件和固件定义提供了同样的抽象模型，事实上，这个接口使所有这些变送器接 口就像i o 驱动器一样。功能模块由组件和服务组成。n c a p 模块规定了各种应用模块之 间的组织关系，并支持不同模块。以上所有这些模块、组件和服务在i e e e1 4 5 1 1 标准 中有详细的定义。需要注意的是，这些接口是可选的，并不需要在一个n c a p 的应用中 实现所有的接口。 i e e e1 4 5 1 1 以面向对象的模型定义的形式提供给智能传感器及其组件。该模型由 一组对象类组成，一个类描述功能模块所共有的特征，这些功能模块被称为实例或对象。 附加的规范扩展了基本类的概念，以便用于i e e e1 4 5 l 。l 。这些对象类具有特定的属性、 动作和行为，它们为传感器提供一个清楚、完整的描述。该模型也为传感器的接口提供 了一个硬件无关的抽象描述，同时通过采用一个标准的应用编程接口( a p i ) 来实现从 模型到网络协议的映射。该标准以可选的方式支持所有的接口模型的通信方式，如s t i m 、 t b i m 和m m x 。 t e e e1 4 5 1 1 标准j 下在修订中，修订主要焦点是i e e ep 1 4 5 1 1 ( 修订) 标准将采用 i e e ep 1 4 5 1 0 标准的通用t e d s 和命令。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3i e e e1 4 5 1 3 标准“3 i e e e1 4 5 1 3 标准，即分布式多点系统数字通信和变送器电子数据表格式( d i g i t a l c o i l l j n u 丌i c a t i o na n dt r a n s d u c e re 1 e c t r o n i cd a t as h e e t ( t e d s ) f o r m a t sf o rd i s t r i b u t e d m u l t i d r o ps y s t e m ) 。该标准利用展布频谱技术( s p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u e ) ，在一 对电话线电缆上实现数据同步采集、通信和对连接在变送器总线上的电子设备供电。 i e e e1 4 5 1 3 分布式多点变送器接口如图2 4 所示。 网 络 变送器总线控制器 ( t b c ) 网络适配处理器 ( n c a p ) 同步信号 通信通道 t b i m总线接口t b i m总线接口 篮壁置r | 竺竺 亟至 屯垂 垂砸 面订e 堡壁墅h 竺竺 巫叵卜 垂 垂夏恒 彳五f o 幽2 4 i e e e1 4 5 1 3 分布式多点变送器接口简图 i e e e1 4 5 1 3 标准的物理接口指标，为以多点设置的方式连接多个物理上分散的传 感器。标准以一种“局部总线”( 1 0 c a lb u s ) 方式实现t b i m ( t r a n s d u c e rb u si n t e r f a c e m o d u l e ，变送器总线接口模型) 和t b c ( t r a n s d u c e rb u sc o n t r o l l e r ，变送器总线控制 器) 的连接。 i e e e1 4 5 l 3 标准允许变送器的制造商以很高的性能价格比且系统内部可操作的特 点生产变送器。这个标准既允许以相对较低的采样速率和合适的时序要求来设计和生产 简单的变送器，同时，在另一方面，也可兼容高达几兆带宽和小到纳秒的时序要求的设 备。也就是说，这两种不同频谱的变送器能够和平的共处于同一条总线上。在图2 4 中， 一条单一的传输线既被用作支持变送器的电源，又用来提供总线控制器与变送器总线接 口模型t b i m 的通信。这条总线可具有一个总线控制器和多个t b i m 。n c a p 包含了总线的 控制器和支持很多不同终端、n c a p 和变送器总线的网络接口。如果变送器总线存在于网 络的内部，总线控制器只能在n c a p 中；否则，它应该设在主机或其它的设备中。一个 变送器总线接口模型t b i m 可以有到多个不同的传感器执行器。 所有t b i m 都包含有五个通信函数，如表2 2 所示。这些